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第4节焦耳定律【新课导思】我们在使用电暖气时,导线和电暖气中通过的电流相同,电暖气很热,而导线却几乎不怎么热,这是为什么?【目标导学】1.知道电流的热效应。2.通过探究,知道电流的热效应与电流、电阻和通电时间有关。3.知道焦耳定律,并会应用焦耳定律进行计算。4.知道电热的利用和防止。【自主预习】1.电流的热效应:定义:电流通过导体时_____转化成_____的现象。2.探究电流通过导体时产生热的多少与哪些因素有关:(1)探究电流通过导体时产生热量与电阻的关系。①实验思路:控制_____、_________不变,改变_____。②实验结论:电流、通电时间相同时,_____越大,电阻产生的热量越多。电能内能电流通电时间电阻电阻(2)探究电流通过导体时产生热量与电流的关系。①实验思路:控制_____、_________不变,改变_____。②实验结论:电阻、通电时间相同时,_______________越大,电阻产生的热量越多。电阻通电时间电流通过电阻的电流3.焦耳定律:(1)确定:英国物理学家_____最先精确地确定电流产生的热量与电流、电阻和通电时间的关系。(2)内容:电流通过导体产生的热量跟_____________成正比,跟导体的_____成正比,跟_________成正比。(3)公式:______。焦耳电流的二次方电阻通电时间Q=I2Rt(4)电流通过导体时,如果电能全部转化为内能,没有同时转化为其他形式的能量,电流产生的热量Q_____消耗的电能W,即________。等于Q=W=UIt4.电热的利用和防止:(1)电热的利用:_________、_______、_______、养鸡场的电热孵化器等。(2)电热的防止:_______、散热片、散热扇等。电热水器电饭锅电熨斗散热孔知识点一电流通过导体时产生的热量与哪些因素有关1.提出问题:电流通过导体时产生的热量与哪些因素有关?2.猜想与假设:电流产生的热量可能与______________有关。参考答案:电流、电阻、通电时间3.实验方法:(1)由于电流产生的热量可能与多个因素有关,故需要利用__________________法。(2)实验中,电流通过导体产生热量的多少无法直接显示,通过________________________显示产生热量的多少,这种方法为______________。参考答案:(1)控制变量(2)U形管中液面的高度差转换法4.进行实验:(1)探究电流产生的热量与电阻的关系。①实验装置:如图所示,两个透明容器中密封等量的空气,两个容器中都有一段电阻丝,两电阻丝串联,且右边容器中的电阻比较大。②实验现象:通电一段时间后,发现与右边容器相通的U形管液面高度差较大。③实验结论:__________________________。参考答案:在电流相同、通电时间相同的情况下,电阻越大,电阻产生的热量越多(2)探究电流产生的热量与电流的关系。①实验装置:如图所示,两个密闭容器中的电阻一样大,在右边容器的外部,将一个电阻和这个容器内的电阻并联。②实验现象:通电一段时间后,发现与左边容器相通的U形管液面高度差较大。③实验结论:____________________。参考答案:在电阻相同、通电时间相同的情况下,通过电阻的电流越大,电阻产生的热量越多。5.【交流与讨论】:实验中,加热空气与加热液体相比有什么优点?参考答案:一是安全,如果容器内是液体,则液体与电接触,加热空气不会出现漏电的危险。二是省电,由于加热的是空气,因此耗电量非常小。三是空气膨胀大,实验效果更好。【示范题1】(2016·宜昌中考改编)采用如图所示的装置探究“电流产生的热量跟什么因素有关”,接通电源,瓶内的空气被加热后膨胀,使U形管中的液面发生变化,通过观察U形管的液面变化情况比较出瓶内电阻丝的发热多少。(1)如图所示的是探究电流产生的热量跟__________的关系,通电一段时间__________(选填“左瓶”或“右瓶”)内的电阻丝产生的热量多。(2)让实验装置冷却到初始状态,把右瓶并联的两根电阻丝都放入瓶内,接通电源比较两瓶内电阻丝发热多少。此时该装置是探究电流产生的热量跟__________的关系,一段时间后电阻丝产生的热量__________(选填“左瓶”“右瓶”或“两瓶一样”)多。(3)该实验中用到了控制变量法和__________法。【精讲精析】(1)装置中,右边两个5Ω的电阻并联后与左边5Ω的电阻再串联;根据串联电路的电流特点可知,右边两个电阻的总电流和左边电阻的电流相等,即I右=I左,两个5Ω的电阻并联,根据并联电路的电流特点可知I右=I内+I外,比较可知I左I内;两瓶中电阻相等(均为5Ω),通电时间相等,电流不同,故探究的是电流产生的热量跟电流的关系;通电一段时间后,由于电阻相同、通电时间相同、I左I内,根据焦耳定律Q=I2Rt可知,左瓶内的电阻丝产生的热量多。(2)让实验装置冷却到初始状态,把右瓶并联的两根电阻丝都放入瓶内,右瓶中两根电阻丝对瓶内空气进行加热;根据并联电路总电阻的计算公式可得,右瓶中两根5Ω电阻丝的总电阻为2.5Ω,小于5Ω,即R左R右;两瓶内电阻丝的总电阻不相等,通电时间相等,电流相等,故探究的是电流产生的热量跟电阻的关系;通电一段时间后,由于电流相同(即I右=I左)、通电时间相同、R左R右,根据焦耳定律Q=I2Rt可知,左瓶内的电阻丝产生的热量多。(3)瓶内的空气被加热后膨胀,使U形管中的液面发生变化,通过观察U形管的液面变化情况比较出瓶内电阻丝的发热多少。故该实验还用到了转换法。答案:(1)电流左瓶(2)电阻左瓶(3)转换【微点拨】(1)实验中利用了控制变量法和转换法。(2)在实验中要使两容器密闭,不能漏气。(3)实验结束时,要及时断电,防止U形管里的水溢出。知识点二焦耳定律1.公式的应用:应用公式电热(焦耳定律)适用范围基本公式Q=I2Rt普遍适用导出公式Q=t=UIt仅适用于纯电阻电路,W=Q备注:计算时,公式中的各物理量要对应于同一导体或同一段电路。2.串、并联电路中电热与电阻的关系:(1)串联电路:电热与电阻成正比,即Q1∶Q2=R1∶R2。(2)并联电路:通电时间相同时,电热与电阻成反比,即Q1∶Q2=R2∶R1。【示范题2】(2015·杭州中考)某同学根据如图所示电路进行实验,先用夹子夹住电动机转轴使其不能转动,闭合开关S,移动滑动变阻器滑片,记下电压表读数和电流表读数;然后松开夹子,使电动机转轴转动,移动滑动变阻器滑片,记下电压表读数和电流表读数。数据记录如表:U/VI/AW/JQ/J不转动0.20.2W1Q1转动3.01.2W2Q2利用如表数据计算和分析:(1)电动机不转动时,通电10s,电动机所做的电功W1和所产生的热量Q1。(2)电动机转动时,通电10s,电动机所做的电功W2和所产生的热量Q2。(3)试比较W1和Q1的大小关系以及W2和Q2的大小关系,并分析其原因。【精讲精析】本题考查电功与热量的计算。(1)电动机不转动时,电动机所做的电功:W1=U1I1t=0.2V×0.2A×10s=0.4J;因为I=,所以电动机不转动时电阻R=电动机所产生的热量Q1=Rt=(0.2A)2×1Ω×10s=0.4J。UR11U0.2V1Ω,I0.2A(2)电动机转动时所做的电功W2=U2I2t=3.0V×1.2A×10s=36J,电动机转动时电阻R与电动机不转动时的电阻相等,电动机所产生的热量:Q2=I22Rt=(1.2A)2×1Ω×10s=14.4J。(3)通过上述计算可得,W1=Q1,W2Q2,电动机未转动时,电流流经线圈时电能全部转化为内能,因此W1=Q1;电动机转动时,电流流经线圈时电能一部分转化为机械能,另一部分转化为内能,因此W2Q2。答案:(1)0.4J0.4J(2)36J14.4J(3)W1=Q1,W2Q2,电动机未转动时,电流流经线圈时电能全部转化为内能,因此W1=Q1;电动机转动时,电流流经线圈时电能一部分转化为机械能,另一部分转化为内能,因此W2Q2。【易错易混警示】(1)只有在电能全部转化为内能的电路中,消耗的电能才等于电热,即Q=W。(2)电热的求解。①焦耳定律Q=I2Rt适用于所有电路中电热的求解。②对于纯电阻电路求电热还可用Q=W=Pt、Q=W=UIt、Q=W=t。③对于非纯电阻电路求电热只能用Q=I2Rt。2UR